【有书】计算之魂讲了什么(吴军计算之魂读后感)

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本文节选自《计算之魂吴军》电子版：

必第了7章/权衡时空一一理解存储//特尔的处理器中还有第三级高速缓存L3。L3缓存访问一次的时间就要长很多，多达35个时钟周期，好在它有16个数据通道。L3和L1、L2的不同之处不仅在于它离得更远、访问速度更慢，还在于它是CPU中的四个核共享的，不是每一个核独享的。L3的容量相比LI1、L2都大了很多，它有8MB，摊到每个核上面是2MB。不过由于是共享的，可能出现某一个核占了很多、其他核抢不到的情况，这样四核处理器只一个核满效率工作，剩下三个效率较低。这个问题需要通过优化操作系统来解决，平衡处理器中每一个核的负载和资源的占用。这也是今天无论是微软还是Google，操作系统团队都在和制造处理器团队密切配合的原因，双方团队彼此要磨合很长时间，才能同时让操作系统和处理器的性能都达到最高。开计如果I3还没有命中怎么办?那只好到内存里去找了。内存并不在处理器中，而是在主板上另外一些独立的芯片(或者内存条)中。内存的访问速度和传输速率要比缓存慢很多。这一方面是因为它和处理器之间有很多其他控制电路，加上物理距离比较远，自然的动态存储器[我们常称它延时;另一方面出于性价比的考虑，内存通常采用速度较慢、价格更低门为动态随机存取存储器(DRAM)]。处理器访问一次内ee存的时间通常在100个时钟周期以上。i7四核处理器100个时钟周期原本可以完成上干次计算，但是只能

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从内存获得一个数据，处理器绝大部分时间处于等待数据状态，运行效率是极低的，通常会慢将近两个数量级。因此，一旦在运行程序时发生了缓存未命中的情况，哪怕未命中率只有百分之几，对程序运行效率的影响也很大。我们不妨量化估算一下缓存未命中率六对程序执行效率e的影响。苹果公司推出的Ml芯片包含了所谓的统一内存架构(UnifiedMemoryArchitecture)，试图改进CP早时，AMD问内存。择计U和内存之间的访问通道，使CPU访问内存任何部分的速度都相同。更和英伟达在其GPU产品中已使用这个概念，使CPU和GPU能平等地访假定在缓存命中的情况下，处理器一个内核每个时钟周期能够执行一条指令，如果缓存未命Ph，则需要花100个时钟周期更新缓存。我们假定一个程序要执行上条指271/计算之魂/令，如果缓存全部命中，需要个时钟周期，执行效率e=100%。当缓存未命中率为六时，有io条指令需要额外的100X个指令周期才能完程序的执行，共耗时寺1004m个指令周期，但是它只完成了丰条指令的任务。因此程序执行的效率为e=[(寻1001)=1I+100mm)(0司假定未命中率m=3%，代入式(7.1)，可以算出效率e=25%，也就是说处理器75%的性能都没有发挥出来。如果一个程序总是访问内存，而不是从缓存中读取数据，速度就要慢很多了。这也就解释了在例题7.1中，为什么

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使用大的数组存储所有32位二进制数中!的个数，反而不如使用小数组存储8位二进制数中1的个数。要想提高缓存命中率，就需要让程序和数据具有局部性〈locality)，也就是说程序在执行时最好不要跳来跳去，同一时间使用的数据最好都放在一起。因此要提高计算机系统整体的性能，除了要在处理器设计上下功夫，还需要操作系统和编译系统与处理器相匹配，一同优化。这也就是为什么当微软的视窗操作系统和Google的安卓操作系统普及之后，很难再有取代它们的操作系统了一一不是因为不能做得更好，而是操作系统在没有和处理器一同优化时，发挥不出处理器的性能。除了操作系统需要考虑人存储系统的特性，编写应用程序时也需要考虑，以便保证程序和数据具有局部性的特点，提高缓存命中率。不仅缓存的容量有限，即便是内存的容量，相比我们今天要处理的数据量来讲也是非常有限的。i7处理器能直接访问的内存也只有36GB，这比我们今天照相机用的闪存卡的容量都小。在计算机内存中装不下的数据，只能放到外部存储设备，比如硬盘上了。硬盘的容量要比内存大两到三个数量级，今天16TB的硬盘已经很便宜了。但是从硬盘上访问数据时，数据传输速率比内存低两个数量级左右"0，这还是大量顺加。2020年最快的硬盘SeagateExos16TBEnterpriseHDDX16SATA只能做到0.75GB/As的传输速率。272

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综上：吴军计算之魂读后感值得推荐阅读。